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霍金理论

史蒂芬·霍金(Stephen William Hawking,1942年1月8日-2018年3月14日),出生于英国牛津,毕业于剑桥大学,著名物理学家、宇宙学家、数学家。[1]曾任剑桥大学理论宇宙学中心研究主任,皇家文艺学会荣誉会员。

霍金1959年在牛津大学攻读自然科学,获一等荣誉学位,1963年患上肌肉萎缩性侧索硬化症(卢伽雷氏症),随后转读剑桥大学研究宇宙学,23岁时取得剑桥大学博士学位,并留校进行研究工作。20世纪70年代,霍金与彭罗斯证明了著名的奇性定理,共同获得1988年沃尔夫物理奖。霍金因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。[1]霍金曾围绕霍金辐射的黑洞理论进行了自我否定式的研究,2004年7月,他承认自己的“黑洞悖论”观点是错误的,但认为“灰洞”的确存在。[1]代表作有《时间简史》《果壳中的宇宙》《大设计》等,曾获得总统自由勋章。霍金于2018年3月14日去世,享年76岁。

如果说,20世纪是爱因斯坦的世纪,那21世纪,无疑属于霍金。

虽然大家都是通过上个世纪末的那本《时间简史》而熟知霍金,但他真正活跃在公众视野中,主要还是最近这十多年。

2018年3月14日,当全世界都将注意力集中在霍金去世的消息中时,大部分人不太清楚的是,两个月之后,他生前投递的最后一篇论文悄悄发表在了《高能物理学》上。

霍金的墓碑。雕刻的图案示意气体云正被黑洞缓缓吞噬,左边的公式是霍金辐射的主要体现。

事实上,去世前10天,霍金都还在修改这篇论文,该文也因此被视为“霍金的最后遗产”,被不少人颇具神秘感地总结为“霍金预言了世界末日”。

但从霍金自己的视角来看,他之所以在临终前都如此看重这篇论文,是因为他想在上一次亲手改变我们看待宇宙的方式之后,第二次扭转人类对宇宙的看法。

霍金提出了一种全新的自上而下宇宙学,认为多元宇宙并没有那么多,宇宙的演化在整体上是平滑而有限的。

出于身体原因,与晚年的众多作品一样,这篇论文也是霍金与他人合作完成,这次,他选择的是弟子兼同事,比利时鲁汶大学教授、引力波中心主任、物理学家托马斯·赫托格。

为了完成霍金的嘱托,老师去世之后的这5年里,托马斯·赫托格一直都在进一步丰富、完善论文中的理论,写成了这本《时间起源:史蒂芬·霍金最后的理论》。

这本书的出版极受全球科学界的重视,今年4月,英文版刚刚面世时,书评就登上顶级学术期刊《自然》杂志,知识含金量可见一斑。

为了能让大家以最快的速度了解霍金精神遗产中的奥秘,《时间起源》的中文版与英文版的出版时差压缩到了不到半年的时间。

简言之,《时间起源》对宇宙的诞生提供了一个惊人的新视角,它将深刻地改变我们对自己在宇宙秩序中的位置的看法。

它具有任何一本在人类思想史上留下深刻印记的经典著作的共同气质,既有科学意义上的严谨,又有人文意义上的深邃,并向那个冥冥中无所不在的“上帝”发起了终极挑战。

不管从哪个层面上看,这,就是一本你不可错过的“伟大的书”。

去世5年后,霍金终极理论面世:

这是他留下的最后忠告……

文 | 阿信

霍金推翻了霍金:

《时间简史》错了!

距离霍金出版《时间简史》已经过去了35年,这部畅销全世界的科普著作,打开了很多人了解黑洞、宇宙或是量子力学的大门。

但是史蒂芬·霍金本人说,他改主意了,《时间简史》错了!

霍金在他人生的最后20年究竟发现了什么?在他最后的理论中,霍金提出了一种全新的自上而下宇宙学,颠覆了他自己在《时间简史》中的观点,而这也将带来一种全新的宇宙学哲学。

简单来说,他让上帝失去容身之地,让人成为“人”自己。

在《时间简史》中,霍金和以往的物理学家们(包括牛顿、爱因斯坦)一样,是从“上帝的视角”看待宇宙。

曾经,这种类似上帝的宇宙观促使了物理学蓬勃发展。从哥白尼开始,科学家们发现自己可以从一个遥远的视角看待研究对象,从而获得客观的理解。在这个观念中,人类不再是宇宙的焦点。

借此,哥白尼摒弃了地心说,牛顿发现了引力定律,爱因斯坦提出了相对论。几个世纪以来,哥白尼的视角在物理学语言中变得越来越根深蒂固。

在今天的物理学中,无论研究什么,是加速粒子、合成新元素还是捕捉微弱的光子,在推理的时候,物理学家总是想象自己是在自然之外的一个抽象点——“天外之眼”——上来处理自然,人们制备好初始状态,然后测量最终状态。

然而,当触及宇宙起源真正本质的问题时,这个视角又把我们带入歧途。

我们不知道宇宙的初始状态是什么,我们当然也就不能尝试制备出不同的初始状态,去看它们产生了什么样的宇宙。当多元宇宙理论催生了人择原理,上帝重新被迷茫的科学家召回时,霍金明白,天外之眼只能带我们走到这儿了。

在《宇宙的原始理论》(1750)中,托马斯·赖特设想了一个永无止境的宇宙,其中充满了星系。这些星系“创造了无尽的浩瀚……与银河系没有什么不同”。若把星系换成岛宇宙,则赖特的画面便类似于今天的多元宇宙理论,在这个理论中,新的岛宇宙不断地被创造出来。那么什么样的岛屿宇宙应该是属于我们的呢?

事实上,物理学家们并非真正身处“天外”,他们仍然在地球上,受地球条件制约。我们是身在宇宙之中,而不是在宇宙之外。所以,在宇宙学中,没有办法获得真正的“上帝的视角”。

霍金反思,“由于没有认识到这一点,我们进入了一条死胡同。我们需要一种新的(物理)哲学思想来为宇宙学服务。”

我们不采用上帝视角来看待这个世界,又将如何呢?如果我们放弃了天外之眼,放弃了绝对客观,而是置身我们想要理解的系统中,那样会怎么样?宇宙学是一门由内向外的实验室科学——我们是在系统内部,抬头向外看。

“是时候停止扮演上帝了。”霍金说

宇宙的历史取决于你问的问题

宇宙究竟是如何创造出如此完美且适宜生命生存的环境的?

假如质子要比中子轻一点点,假如四种自然基本力中的任何一种都再强一些或再弱一些,假如空间是四维的而不是三维的……宇宙中的基本属性的值出现了哪怕只是轻微的变化,生命都无法形成。

物理学的定律好像是专门为了让生命出现而量身定制的,仿佛有一双大手在背后“设计”着我们这个世界。

有人用多元宇宙学来解释这个现象:我们的宇宙只是无数个宇宙中的一个,每一个独立的宇宙都遵循不同的物理定律,其中大多数都不适合已知生命的发展,我们只是恰好生活在一切都适合生命发展的宇宙中。

但顺着这个思路走下去,我们仍然找不到宇宙的终极起源。

有一个问题始终横亘在我们面前:那个让多元宇宙诞生、支配所有宇宙的终极理论,即元法则,是什么?

多元宇宙理论无法说明在这茫茫宇宙中,我们是谁,以及我们为什么在这里。于是多元宇宙论者提出了一个激进的方案以修补多元宇宙学,这就是人择原理,它是说,我们发现了适宜生存的宇宙,是因为我们在这里。

人择原理再一次将生命体置于特权地位,把它放到诠释宇宙的核心,从而又使我们后退了5个世纪,回到了哥白尼之前。

世纪之初,霍金越来越担心,宇宙学中的人择原理破坏了理性方法,后者可是科学的生命之源。科学就在于其可证伪性,但没有任何办法能验证人择原理。

在和自己的弟子兼长期合作者托马斯·赫托格的日常研讨中,霍金表示,想要用量子宇宙观代替宇宙学中的人择观点。

2001年8月,马丁·里斯(站在史蒂芬左边)在他位于英国剑桥的农舍里召开了一次会议,讨论人择原理在基础物理学和宇宙学中可能有的价值。正是在这次会议的间隙,史蒂芬和托马斯·赫托格(第三排,史蒂芬后面)开始认真讨论如何用量子宇宙观取代宇宙学中的人择观点

霍金认为我们生活在一个量子宇宙中,他反对多元宇宙学将经典思维和量子思维杂合的构想,霍金认为多元宇宙中的经典基础是宇宙学中长期以来的上帝思维的罪魁祸首。

从纯粹量子宇宙观出发,我们就需要摒弃“存在整体上经典的背景时空之类”的这种想法。相反,我们应该把宇宙看作是许多可能的时空的叠加,每个历史都有自己的概率。

因此,即使在最大的尺度上,哪怕远远超出了我们宇宙学视界,就像在与永恒暴胀有关的尺度上一样,量子宇宙也是不确定的。

“我们所观测到的宇宙是宇宙学中唯一合理的起点。”霍金通过均衡器对赫托格说出这句话时,桌子上的加湿器正喷出白色的烟雾,赫托格说,恍惚间他觉得自己看到了神谕的升起。

赫托格对从上帝视角看待宇宙早已充满疑虑,他感到霍金要将他引向量子宇宙学更广阔、更流畅的历史观。

霍金说:“我们和我们的理论都是我们所描述的宇宙的一部分。”这一点显而易见,看起来像一句废话。但这一明显的实事意味着我们必须对宇宙有一个“由内而外”的视角。霍金称之为“虫眼”视角。

但霍金接下来说的话还是让他大吃一惊。霍金提出了一种自上而下的哲学:“我认为,(对宇宙的)正确量子观将带来一种不同的宇宙学哲学,在这种哲学中,我们自上而下,在时间上往回演化,从观测所及的表面上开始工作。”

在这场谈话的最后,霍金以其特有的简练和雄心,阐释了这一全新的视角:“宇宙的历史取决于你问的问题。晚安。”

把人当成他自己

霍金是什么意思呢?

他的自上而下宇宙观既不把人当成一个像神一般高居宇宙之上的角色,也不把人当成处在现实边缘的宇宙演化的无助受害者。他就是把人当成他自己。

真正的量子宇宙观可以对抗现代科学无情的异化力量,让人们从内部视角重新构建宇宙学,这就是霍金最终理论的精髓。

事先声明,量子力学中“观测行为”——即霍金所说的“你问的问题”——可不是像你过马路时环顾四周那样。量子力学中的观测者不一定非得是人类。兔子可以是观察者,一块石英也可以,一粒亚原子的原始尘埃也同样可以。

观测者可以指任何与其环境相互作用的东西,从而使现实成为现实。这就是“薛定谔的猫”所描述的场景。实验者的观测和测量明确地参与了预言的过程,这是量子力学最令人惊讶的特征之一。

而将这种量子观拓展到对整个宇宙的认识,我们就有可能摆脱上帝的视角,并从虫眼视角重新构建宇宙学——量子宇宙学。

当我们考虑未来的时候,观测正在修剪我们面前的可能路径之树。在这个过程中,对于某个特定观测者,在他的经验中只有一个分支存活了下来。

但是,观测也可以触及过去。“宇宙的历史取决于你问的问题。”从某种意义上说,量子宇宙和观测者是同步出现的。

在霍金的量子宇宙中,观测者是整个行为的中心。在自上而下的宇宙学中,任何一种可感知的过去都是观测者的过去。这就好像在一个一切皆有可能的、深不可测的王国中,观测者被量子宇宙学当成了一个操作总部。

量子宇宙。今天的观测从“可能发生的事情”的广阔范围中长出树根,表示可能的过去,并勾勒出树枝,表示可能的未来

“通过自上而下(的方法),我们将人类重新置于(宇宙学理论的)中心。”霍金说,“有趣的是,我们正是这样被赋予了支配权。”

自上而下的宇宙学把宇宙表面上的设计之谜颠倒了过来。它体现了这样一种观点,即在量子层面上,宇宙亲手设计了自己的生命体友好性。根据该理论,生命和宇宙在某种程度上是相互契合的,因为在更深的意义上,它们是一起出现的。

自上而下的宇宙学摆脱了对绝对真理的任何主张,为从艺术到科学的多个思想领域提供了空间,每个领域都有不同的目标,可以激发出互补的见解。如果说自上而下的思维确实孕育了一种新的世界观的话,这就是一种完全多元化的世界观。

按照霍金的思路,如果所有的科学定律,包括物理学的“基本”定律,都是衍生定律的话,那么我们很快就会发现自然界更广阔的景象。

事实上,这些见解正好与一系列科学学科的最新发展相吻合。科学在几个分支上已抛弃了寻找统一规律的念头,而正在把“是什么”的研究扩展到“可能是什么”。

我们创造了宇宙

在霍金去世前几周,赫托格去他家里拜访了他。

当时他几乎动弹不得,接受着最好的看护服务。他知道自己很快就会死。在他位于华兹华斯格罗夫的书房里,他们进行了最后一次交谈。他费力地说:“是时候写一本新书了……”这是他对赫托格说的最后一句话——最后一道家庭作业题。

而今,托马斯·赫托格完成了这份作业。

在《时间起源》中,赫托格以严谨的学术态度和讲故事的笔法,将人类关于宇宙起源的认知历程娓娓道来,其中穿插着霍金和他相处的点滴,读者可以感受到赫托格对霍金的深厚感情以及他对霍金的科学崇拜。

2018年6月15日,史蒂芬·霍金的骨灰被送入威斯特敏斯特教堂,安葬在一块黑色的石板下,距离艾萨克·牛顿和查尔斯·达尔文的墓碑只有几英尺远。

巧合的是,霍金的宇宙学终曲将艾萨克·牛顿的数学严谨性与查尔斯·达尔文的深刻见解联系在一起,后者是说,在更深刻的意义上,我们是一体的。

霍金坚信,我们问问题的勇气以及答案的深度能让我们安全、明智地驾驭地球走向未来。

在他的一生中,在被诊断出患有肌萎缩侧索硬化症后,他发现了自己爱的意愿、养育后代的意愿、体验世界各个维度的意愿以及掌控宇宙的意愿。他的故事激励了亿万人,并将继续成为人类所能取得的成就的有力象征。

2007年,霍金体验了一次零重力飞行。对于大部分人来说,这是我们唯一一次看到他离开轮椅

在《时间简史》中,早期(自下而上)的霍金曾写道:“即使我们真的找到了一个万物理论,它也只是一组规则和方程。是什么给方程注入了活力?”

而《时间起源》中,后来(自上而下)的霍金的答案是:观测。我们创造了宇宙,正如宇宙创造了我们。

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